Los científicos han realizado una puerta lógica fotón-fotón a través de una interacción determinista con un sistema de resonador atómico fuertemente acoplado.
"¡Nada es imposible!" De acuerdo con este lema, los físicos de la División de Dinámica Cuántica del Profesor Gerhard Rempe director del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica lograron realizar una puerta de lógica cuántica en la que dos cuantos de luz son los principalesactores. La dificultad de tal esfuerzo es que los fotones generalmente no interactúan en absoluto, sino que se cruzan sin ser molestados. Esto los hace ideales para la transmisión de información cuántica, pero menos adecuados para su procesamiento. Los científicos superaron este gran obstáculo al traer untercera partícula auxiliar en juego: un solo átomo atrapado dentro de un resonador óptico que asume el papel de mediador. "La característica distintiva de nuestra implementación de puerta es que la interacción entre los fotones es determinista", explica el Dr. Stephan Ritter.es esencial para futuras aplicaciones más complejas, como computadoras cuánticas escalables o redes cuánticas globales ".
En todas las computadoras modernas, el procesamiento de datos se basa en información que se codifica en binario y luego se procesa mediante operaciones lógicas. Esto se realiza mediante las llamadas compuertas lógicas que asignan valores de salida predefinidos a cada entrada a través de protocolos deterministas. Del mismo modo, para la informaciónprocesamiento en computadoras cuánticas, las puertas de lógica cuántica son los elementos clave. Para realizar una computadora cuántica universal, es necesario que cada bit cuántico de entrada pueda causar un cambio máximo de los otros bits cuánticos. La dificultad práctica radica en la naturaleza especial de la información cuántica.: a diferencia de los bits clásicos, no se puede copiar. Por lo tanto, los métodos clásicos para la corrección de errores no se pueden aplicar y la puerta debe funcionar para cada fotón que transporta información.
Debido a la importancia especial de los fotones como portadores de información, por ejemplo, para comunicar información cuántica en redes cuánticas extendidas, la realización de una puerta de fotón-fotón determinista ha sido un objetivo de larga data. Una de varias posibilidades para codificarbits cuánticos fotónicos es el uso de estados de polarización de fotones individuales. Luego, los estados "0" y "1" de un bit clásico corresponden a dos estados de polarización ortogonal. En la puerta de dos fotones, la polarización de cada fotón puede influir en la polarizacióndel otro fotón. Como en la puerta lógica clásica, se especifica de antemano qué polarización de entrada conduce a qué polarización de salida. Por ejemplo, una polarización lineal del segundo fotón se gira 90 ° si el primero está en el estado lógico "1, "y permanece sin cambios si el primero está en" 0 ". A diferencia de las puertas lógicas clásicas, que se especificarían completamente con dicha descripción, una puerta cuántica puede asumir un número infinito de posibilidades enponer estados.La puerta lógica cuántica tiene que crear la combinación correcta de estados de salida para cada uno de estos.
En el experimento presentado aquí, dos fotones polarizados independientemente chocan, en rápida sucesión, sobre un resonador que está hecho de dos espejos de alta reflectividad. Dentro de un solo átomo de rubidio queda atrapado formando un sistema fuertemente acoplado con el resonador. El resonador amplifica elcampo de luz del fotón que incide en la posición del átomo que permite una interacción directa átomo-fotón. Como resultado, el fotón manipula el estado atómico tal como se refleja desde el espejo. Este cambio es detectado por el segundo fotóncuando llega al espejo poco después.
Después de su reflexión, ambos fotones se almacenan en una fibra óptica de 1,2 kilómetros de largo durante algunos microsegundos. Mientras tanto, se mide el estado atómico. Una rotación de la polarización del primer fotón condicionada por el resultado de la medición permite la acción posterior deel segundo fotón en el primero. "Los dos fotones nunca están en el mismo lugar al mismo tiempo y, por lo tanto, no se ven directamente. Sin embargo, logramos una interacción máxima entre ellos", explica Bastian Hacker, estudiante de doctorado enel experimento.
Los científicos podrían demostrar experimentalmente que, dependiendo de la elección de las polarizaciones de los fotones, el primer fotón afecta al segundo o viceversa. Para este fin, midieron los estados de polarización de los dos fotones salientes para diferentes estados de entradaA partir de estos, generaron "tablas de verdad" que corresponden a las operaciones de compuerta esperadas y demuestran así los diversos modos operativos de la compuerta fotón-fotón.
El caso cuando la polarización de entrada de los dos fotones se elige de manera que se influyan entre sí es de particular interés: aquí los dos fotones salientes forman un par entrelazado. "La posibilidad de generar enredos distingue fundamentalmente una puerta cuántica de su contraparte clásicaUna de las aplicaciones de los fotones enredados es la teletransportación de estados cuánticos ", explica Stephan Welte, estudiante de doctorado en el experimento.
Los científicos prevén que la nueva puerta de fotón-fotón podría allanar el camino hacia el procesamiento de información cuántica totalmente óptico. "La distribución de fotones a través de una red cuántica óptica permitiría vincular cualquier número de nodos de red y, por lo tanto, permitir la configuración de una escala escalablecomputadora cuántica óptica en la cual la puerta de fotón-fotón desempeña el papel de una unidad central de procesamiento CPU ", explica el profesor Gerhard Rempe.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto Max Planck de Óptica Cuántica . Original escrito por Olivia Meyer-Streng. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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